涡街流量计自20世纪70年代以商品形式问世以来，广泛地应用于石油、化工等领域，目前已成为测量流量的主要仪表之一[1]。尤其是在20世纪80年代，涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型检测法涡街流量计。能够在短短几年时间内从实验室样机到批量生产，说明涡街流量计具有强大的生命力。目前涡街流量计与外界的通信大都采用有线方式，不但安装难度大，易受干扰，而且费用高，维护不便。因此，研制一种可以电池供电的低功耗、抗干扰能力强且具有远距离无线通信的涡街流量计具有重大意义。
由于短消息的发送和接收是在GSM数据通信平台上进行的，因而具有不需另外铺设网络、“即买即通”、建设周期短、不需专门申请频点使用权、不受地域限制、通信可靠、费用低廉等优点[2]，所以通过手机短消息方式传递信息是一种较为理想的选择。手机短消息的收发可以利用Intenet网络代理来实现，也可以利用一般的手机来实现。但是不管使用何种方式都存在一定的缺陷，如利用Intenet网络发送短消息，由于要在网络代理处注册，不但存在安全性问题，而且没有接收功能，无法实现信息交互。如果利用一般的手机来完成消息的收发，除了信息输入困难以外，手机的稳定性也值得充分考虑。为克服上述不足之处，本文所述的低功耗涡街流量计采用GSM M0DEM短信平台来实现无线远传需要。
1 基于GSM短信平台的涡街流量计硬件系统设计
所述涡街流量计系统由GSM短信平台模块、信号采集模块和数据采集及处理模块组成，见图1。
1.1 GSM短信平台模块
GSM短消息业务占用GSM的控制信道，而不是业务信道，因此，与话音业务和数据业务互不干扰。GSM的短消息业务分为两种：点对点短消息业务和短消息小区广播业务。点对点短消息业务能够使GSM数字移动通信网的用户可以发出或接收长度有限（不超过140个字节）的数字或文字消息。短消息业务可以使网络一端知道被叫方是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络一侧会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息能被重发以确保被叫方能收到。本文主要是利用GSM短消息平台资源作为数据传输通道，开发设计短消息业务应用系统，实现上位机与下位机之间的信息传递。它通过标准RS232串口使GM3.0与微控制器实现同GSM网络用户信息的交流。目前已有通信设备制造商供应基于GSM的无线通信模块，将这些模块集成到应用系统中，可以加快无线应用系统的开发速度。本文所用的GSM Modem 3.0的核心部分为Siemens的TC35GSM模块，具有标准的RS-232接口，可以直接连接GPS、MCU、PLC、PC等任何具有标准RS-232接口的设备，使用极其方便。外加精心设计的MCU控制电路和通信接口电路，辅以完善的软件设计，使得该调制解调器使用十分方便。选择GSM MODEM实现小批量、非实时、远程数据传输，无论从安全性、稳定性、收发信息量，还是从可扩展性、运营费用、二次开发等方面都比较理想，可以充分满足用户的需要。既可以通过软件设置RS-232接口为数据透明传输，从而与普通的PSTN Modem 一样使用AT指令直接控制TC35GSM模块，也可以使用专门开发的简洁实用通信协议来控制GSM模块。GSM MODEM 以RS-232与其他设备进行通信，串行通信形式为：N、8、1、9600bps。通信协议的一般格式为：帧头+控制字+数据长度+数据+结束标志（仅在设备向GSM MODEM 传送数据时使用）。
1.2 信号变换与调理模块
涡街流量计是基于卡门涡街[3]原理而研制的新一代流体振荡型仪表。在流动的流体中放一根轴线与流向垂直的非流线型柱形体（如三角柱、圆柱等），称之为漩涡发生体。当流体在漩涡发生体上绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图2所示的两列不对称但有规律的交替漩涡列。依据卡门的结论：只有当两列涡街之间的距离h和同列的两个漩涡间的距离L之间满足h/L=0.281时，所产生的涡街才是稳定的[3]。大量试验证明：在一定雷诺数范围内，稳定的漩涡发生频率f与被测介质的平均速度v、表面通径D及漩涡发生体迎面宽度d有如下的关系式：
式中：Sr为斯特劳哈尔数，无量纲参数，与漩涡发生体形状及雷诺数有关，在雷诺数Re=2×104~7×106范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。
由此可以看出，只要准确测出漩涡的分离频率f，就可准确得知被测流体的流速，从而达到测量管道内流量的目的。流体流经封闭的管道时，在管内形成稳定的卡门涡街，再通过敏感元件（压电晶体）来感受涡街分离频率，实现非电量（应力）信号到电测量信号的转变，然后涡街分离频率电信号经检测放大器进行信号处理。信号处理部分即前置放大电路中的压电晶体采用的是压电传感器，所提供的微弱电荷信号经过前置放大器处理获得有效的涡街脉冲频率信号。前置放大器框图如图3所示。
1.3 数据采集及处理模块
数据采集及处理模块是以TI公司的MSP430F147为核心，由控制外围的显示单元、打印机接口单元、通信接口单元、数据存储单元、实时时钟单元、电源管理单元、模拟输出单元及按键等，功能框图如图4。
MSP430F147是一种超低功耗16位FLASH单片机，它的16位RISC指令、16级中断、高效的寻址方式等特点较好地实现了强大的功能和超低功耗的结合，因此具有很好的性价比和实用性。MSP430F147微控制器片内包括32kB的FLASH 型程序存储器、1kB的RAM 、一个看门狗、12位12通道的AD转换器、2个16位定时器、1个高准确度比较器、PWM以及2个USART控制器等资源。其I/O口资源丰富，且有16个I/O引脚可提供矢量中断功能，每个外围器件都支持事件驱动型操作[4]。MSP430F147应用在2.2V供电电源及1MHz主频时，工作电流仅为160μA，在低功耗模式下，工作电流最低可达0.1μA。MSP430F147与89C51相比，不但指令执行效率高，而且功耗比后者低得多。与现代程序设计技术结合使用，使得MSP430的体系结构更为高效。
2 基于GSM短信平台的涡街流量计系统的软件设计
本系统中的软件设计主要包括两部分：第一部分是涡街流量计的软件设计，在IAP，Embedded System开发环境中采用MSP430 C语言开发，其中包括系统初始化模块、数据采集处理与存储模块、显示驱动模块、打印机驱动模块、实时时钟处理模块、电源管理模块、通信接口模块及按键处理模块。MSP430F147与GSM MODEM3.0进行通信的程序流程如图5。
第二部分为上位机的软件设计，采用Visual Basic 6.0开发，实现了十分友好的人机操作界面；配置GSM MODEM 3.0的工作模式，使其与PC机之间实现信息交互；随时可以调用查看流量的历史记录、瞬时流量等。
3 结语
本系统经过模拟运行表明已经达到预定的设计指标，运行稳定可靠，涡街流量计与上位机之间能够实现准确的定时传输数据，液晶显示屏上能够准确显示瞬时流量、累积流量，准确度为1.0级，完全满足要求。正常工作电流350μA，待机工作电流120μA，达到了系统低功耗的目的，由于本系统并不要求实时地进行无线远传，所以只在需要的时候利用GSM网络进行传送，从而进一步降低了系统的功耗。
参考文献：
[1] LANEVILLE A，et al.Signal Quality of a Vortex Flowmeter Exposed to Swirling Flows[J].Flow Meas Instrum，1993，4（3）：16-18.
[2] 齐保良，杜文洪，邹军.基于GSM的变电所遥测遥控系统.电测与仪表.2003，40（1）：22-26，
[3] 郑建英，孙坚.朱云智.智能涡街流量计的研制.现代计量测试，1999，（4）：12-15.
[4] TEXAS INSTRUMENT Co.MSP430xIXX Family User’S Guide[Z].TEXAS INSTRUMENT Co，2004.
